RU2169859C2

RU2169859C2 - Personal swirl power-generating plant

Info

Publication number: RU2169859C2
Application number: RU99107265A
Authority: RU
Inventors: А.А. Соловьев; К.П. Павловский
Original assignee: Соловьев Александр Алексеевич; Павловский Константин Петрович
Priority date: 1999-04-02
Filing date: 1999-04-02
Publication date: 2001-06-27

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: plant is designed for generating energy from air streams. Proposed plant has multitier solar heat collectors of hotbed type with side (tangential) swirlers - guides and vertical outlet pipe with electric generator. EFFECT: increased capacity at conversion of solar energy into energy of swirl air masses. 4 dwg

Description

Изобретение относится к установкам для получения механической или электрической энергии из потоков воздуха, в частности к установкам с искусственным источником вихревого течения, формирующегося под воздействием тепловой составляющей солнечной радиации. С помощью данных установок можно производить электрическую энергию в районах с солнечным излучением, в которых отсутствует возможность персонального энергообеспечения в бытовых целях традиционными способами (дизельные электростанции, малые гидроэлектростанции, ветроэнергетика, фотоэлектричество и т.п.). The invention relates to installations for producing mechanical or electrical energy from air flows, in particular to installations with an artificial source of vortex flow, formed under the influence of the thermal component of solar radiation. Using these installations, it is possible to produce electric energy in areas with solar radiation, in which there is no possibility of personal energy supply for domestic purposes by traditional methods (diesel power plants, small hydropower plants, wind energy, photovoltaics, etc.).

Известна установка для получения электроэнергии из конвективных потоков воздуха, выполненная в виде наземного солнечного коллектора с вертикальной трубой и турбиной для преобразования кинетической энергии восходящего потока в электрическую энергию [1]. Коллектор с трубой предназначен для концентрирования парниковых потоков воздуха, собираемых с большой площади. Поток, формируемый при нагреве солнцем воздуха внутри коллектора, создается за счет горизонтальной разности температур внутри и вне коллектора. Воздушные массы благодаря вертикальному градиенту давления перемещаются в направлении трубы, стоящей в центре коллектора. На пути движущейся массы воздуха в трубе устанавливается турбина, ротор которой при взаимодействии с потоком приходит во вращение в магнитном поле статора, благодаря чему в обмотках якоря создается электрическое напряжение. Таким образом, с помощью данной установки осуществляется преобразование солнечной энергии в энергию потока и затем в электрическую энергию. A known installation for generating electricity from convective air flows, made in the form of a ground-based solar collector with a vertical tube and a turbine for converting the kinetic energy of the upward flow into electrical energy [1]. A pipe collector is designed to concentrate greenhouse air flows collected from a large area. The flow generated when the sun heats the air inside the collector is created due to the horizontal temperature difference inside and outside the collector. Due to the vertical pressure gradient, the air masses move in the direction of the pipe standing in the center of the manifold. A turbine is installed in the pipe along the path of the moving mass of air, the rotor of which, when interacting with the flow, comes into rotation in the stator magnetic field, which creates an electric voltage in the armature windings. Thus, with the help of this installation, the conversion of solar energy into flow energy and then into electrical energy is carried out.

Недостатком данной установки является относительно крупные размеры и, следовательно, большие занимаемые площади. Для получения интенсивных свободно-конвективных течений, которые способны создать скорости, устойчиво вращающие турбину с производительностью 20 Вт с 1 м, необходимо аккумулировать солнечную энергию в среднем с площади не менее 200 м². В такой установке, по сравнению с ветровыми электростанциями, не удается достичь существенного повышения КПД преобразования солнечной энергии в энергию гидромеханического движения и в электричество. Рост значений КПД может быть получен за счет нарастания перепада температур между солнечным коллектором и окружающей атмосферой, при увеличении высоты трубы или расширении площади, занятой коллектором, что технически трудно достижимо для наиболее мощных энергоустановок.The disadvantage of this installation is the relatively large size and, therefore, large footprint. To obtain intense free-convection currents that can create speeds that stably rotate a turbine with a capacity of 20 W from 1 m, it is necessary to accumulate solar energy on average from an area of at least 200 m ² . In such an installation, in comparison with wind power plants, it is not possible to achieve a significant increase in the efficiency of converting solar energy into hydromechanical motion energy and into electricity. An increase in efficiency values can be obtained due to an increase in the temperature difference between the solar collector and the surrounding atmosphere, with an increase in the height of the pipe or an expansion in the area occupied by the collector, which is technically difficult to achieve for the most powerful power plants.

Наиболее близкой к предлагаемой является установка для получения электрической энергии из вращающихся конвективных течений, содержащая наземный солнечный коллектор с тангенциальными направляющими по его периферии, выходную трубу, установленную в его центре, и турбину для преобразования кинетической энергии потока в электрическую энергию [2]. За счет разности температур, которая создается при нагреве воздуха в коллекторе солнечным излучением, формируется градиент давления, направляющий в коллектор массы воздуха, находящиеся в окружающей коллектор среде. Воздух, который входит в коллектор, а затем в выходную трубу с помощью тангенциальных направляющих, приобретает угловой момент. Энергия вращающегося потока, сформированного под действием солнечной радиации, далее преобразуется в электрическую. Closest to the proposed one is an installation for generating electrical energy from rotating convective flows, comprising a ground-based solar collector with tangential guides along its periphery, an outlet pipe installed in its center, and a turbine for converting the kinetic energy of the flow into electrical energy [2]. Due to the temperature difference that is created when the air in the collector is heated by solar radiation, a pressure gradient is formed that directs the mass of air in the medium surrounding the collector. The air that enters the manifold, and then into the outlet pipe using tangential guides, acquires an angular momentum. The energy of a rotating stream, formed under the action of solar radiation, is then converted into electrical energy.

Недостатком данной установки, несмотря на создание вращения, дополнительного к прямоточному потоку, является низкая эффективность преобразования солнечной энергии в механическую энергию, что обусловлено следующими причинами. Выходная труба содержит ряд препятствий, создающих гидродинамическое сопротивление восходящему потоку воздуха, таких как осушители воздуха, форсунки для сжигания топлива, нижние вентиляторы. Поток в выходной трубе является вращающимся, но не вихревым. Для такого течения не выполняется условие rot

(

- скорость), и его скорость близка к скорости прямоточных свободно-конвективных течений. Эффективность преобразования солнечной энергии в механическую для вращающегося безвихревого потока, в котором только перераспределяется удельный вес составляющих скорости, остается такой же, что и в случае прямоточного потока.The disadvantage of this installation, despite the creation of rotation, additional to the direct flow, is the low efficiency of the conversion of solar energy into mechanical energy, due to the following reasons. The exhaust pipe contains a number of obstacles that create hydrodynamic resistance to the upward flow of air, such as air dryers, nozzles for burning fuel, and lower fans. The flow in the outlet pipe is rotating, but not vortex. For such a flow, the condition rot

(

- speed), and its speed is close to the speed of direct-flow free-convection currents. The efficiency of converting solar energy into mechanical energy for a rotating irrotational flow, in which the specific gravity of the velocity components is redistributed, remains the same as in the case of direct-flow flow.

Задачей изобретения является повышение энергоотдачи процесса преобразования солнечной энергии в кинетическую энергию воздушного потока. Технический результат достигается тем, что установка для преобразования солнечной энергии в механическую или электрическую энергию, содержащая пропускающий солнечное излучение наземный коллектор с тангенциальными направляющими, соединенный с вертикальной выходной трубой, и ветровое колесо, связанное с ротором турбины электрического генератора, снабжена дополнительным солнечным коллектором верхнего яруса меньшей площади с установленными на его периферии тангенциальными направляющими. The objective of the invention is to increase the energy efficiency of the process of converting solar energy into kinetic energy of the air flow. The technical result is achieved by the fact that the installation for converting solar energy into mechanical or electrical energy, containing a solar-transmitting ground collector with tangential guides connected to a vertical outlet pipe, and a wind wheel connected to the rotor of the electric generator turbine, is equipped with an additional solar collector of the upper tier smaller area with tangential guides installed on its periphery.

Положительный эффект возникает, во-первых, за счет создания добавочного углового момента воздушных масс, поступающих в выходную трубу, и, во-вторых, вследствие формирования в наземном солнечном коллекторе зоны горизонтального сдвига температуры и скорости. На границе области резких изменений скорости происходит развитие гидродинамических неустойчивостей, которые являются источником вихревого движения вращающегося в выходной трубе потока. Концентрируемое в выходной трубе вихревое течение обладает всеми признаками природного смерча. Радиальный профиль скорости характеризуется вторым дополнительным максимумом (фиг. 1) на периферии вблизи стенки выходной трубы. В кольцевой зоне микросмерча образуется система вторичных вихревых нитей высокой интенсивности (фиг. 2). Скорость воздушного потока через турбину усиливается пропорционально числу, угловой скорости и размерам вторичных вихрей. A positive effect arises, firstly, due to the creation of an additional angular momentum of the air masses entering the exhaust pipe, and, secondly, due to the formation of a horizontal shear zone of temperature and speed in the ground solar collector. At the boundary of the region of sharp changes in velocity, hydrodynamic instabilities develop, which are the source of the vortex motion of the stream rotating in the outlet pipe. The vortex flow concentrated in the outlet pipe has all the signs of a natural tornado. The radial velocity profile is characterized by a second additional maximum (Fig. 1) at the periphery near the wall of the outlet pipe. A system of secondary high-intensity vortex filaments is formed in the annular zone of micro-tornado (Fig. 2). The speed of the air flow through the turbine increases in proportion to the number, angular velocity and size of the secondary vortices.

На фиг. 3 приведена схема персональной вихревой энергетической установки. Она содержит соосные солнечные коллекторы нижнего (наземный) 1 и верхнего (дополнительный) 2 яруса, выходную трубу 3, установленную в центре верхнего коллектора, тангенциальные направляющие коллекторов 4, ветровое колесо 5, электрический генератор 6. Верхние поверхности коллекторов 9 пропускают солнечную радиацию 7, а нижние 8 непрозрачны для прохождения солнечного излучения. In FIG. 3 shows a diagram of a personal vortex power plant. It contains coaxial solar collectors of the lower (ground) 1 and upper (optional) 2 tiers, an output pipe 3 installed in the center of the upper collector, tangential guides of the collectors 4, a wind wheel 5, an electric generator 6. The upper surfaces of the collectors 9 pass solar radiation 7, and the bottom 8 are opaque to the passage of solar radiation.

Установка работает следующим образом. Под действием солнечного излучения температура воздуха в коллекторах из-за парникового эффекта превышает температуру окружающей среды. Горизонтальная разность температур создает уменьшающийся внутрь перепад давления, благодаря которому наружный воздух через наземный и дополнительный коллекторы перемещается к выходной трубе. Воздушные массы, прошедшие тангенциальные направляющие дополнительного коллектора, поступая в выходную трубу, увеличивают созданный потоком через наземный коллектор угловой момент и усиливают общий расход и скорость воздуха в выходной трубе. В наземном коллекторе его центральная часть перекрыта для прохождения инфракрасной составляющей солнечного излучения. Поэтому в нем образуется область горизонтальной температурной неоднородности, которая является еще одним источником роста скорости течения в выходной трубе. При переходе от центральной затемненной и потому более холодной зоны к освещаемой теплой кольцевой области формируется слой скачка температуры. Спирально двигающиеся в коллекторе воздушные массы, попадая в зону скачка, приобретают сдвиг скорости, на котором из-за гидродинамической неустойчивости формируются вторичные вихри. Они совершают переносное вращение вокруг оси коллектора и благодаря вертикальному градиенту давления и эффекту плавучести затягиваются внутрь трубы. В трубе формируется микросмерч, представляющий собой квазитвердое центральное вращение и периферийное вихревое течение в кольце вблизи стенок выходной трубы. Кольцевое вихревое течение, состоящее из системы интенсивных вторичных вихрей при их взаимодействии с ветровым колесом, усиливает его вращение, которое передается на ротор турбины генератора электрического тока. Installation works as follows. Under the influence of solar radiation, the air temperature in the collectors exceeds the ambient temperature due to the greenhouse effect. The horizontal temperature difference creates a decreasing pressure drop, due to which the external air moves through the ground and additional collectors to the outlet pipe. Air masses that have passed the tangential guides of the additional manifold, entering the outlet pipe, increase the angular momentum created by the flow through the ground collector and increase the total flow rate and air velocity in the outlet pipe. In the ground collector, its central part is blocked for the passage of the infrared component of solar radiation. Therefore, a region of horizontal temperature inhomogeneity is formed in it, which is another source of growth of the flow velocity in the outlet pipe. Upon transition from the central darkened and therefore colder zone to the illuminated warm annular region, a layer of temperature jump is formed. Air masses spiraling in the collector, falling into the jump zone, acquire a velocity shift at which secondary vortices are formed due to hydrodynamic instability. They perform a portable rotation around the axis of the collector and, due to the vertical pressure gradient and buoyancy effect, are pulled into the pipe. In the pipe, a microsprinkle is formed, which is a quasi-solid central rotation and a peripheral vortex flow in the ring near the walls of the outlet pipe. An annular vortex flow, consisting of a system of intense secondary vortices during their interaction with the wind wheel, enhances its rotation, which is transmitted to the turbine rotor of the electric current generator.

Допускается исполнение установки в малом масштабе для персонального использования с применением системы сборно-разборных конструкций. Конструкция солнечного коллектора может, например, иметь вид круговых сегментов, стыкующихся друг с другом. Установка персонального пользования в собранном виде помещается в обычный переносной чемоданчик. It is allowed to perform the installation on a small scale for personal use using a collapsible system. The design of the solar collector may, for example, be in the form of circular segments that are joined to each other. The installation for personal use in assembled form is placed in an ordinary portable case.

Источники информации
1. Шекриладзе И.Г. Солнечный ветер. - М.: Энергия, 1988, N 6, c. 12, 13.Sources of information
1. Shekriladze I.G. Sunny wind. - M .: Energy, 1988, N 6, p. 12, 13.

2. GB 2081390 A, кл. F 03 G 7/04, 17. 02. 1982. 2. GB 2081390 A, cl. F 03 G 7/04, 17. 02. 1982.

Claims

A personal vortex power plant containing a ground-based solar collector with tangential guides located on the periphery of the collector, an outlet pipe mounted vertically in the center of the collector, and a turbine for converting the kinetic energy of the flow into mechanical or electrical energy, characterized in that it is equipped with additional, having less lateral dimensions, by a solar collector of the upper tier with tangential guides on the periphery of the collector, connected coaxially with the output pipe slaughter and ground collector.